Bei allen Entwicklungen der Mensch-Maschine-Interaktion steht die Sicherheit der Mitarbeitenden im Vordergrund. Hier setzt das EU-Projekt Fitness (Flexible Intelligent Nearfield Sensing Skins) an, in dessen Rahmen die Kommunikation und Interaktion zwischen Mensch und Maschine mithilfe von intelligenten Antennenlösungen in Form von neuartigen, elektromagnetischen Meta-Materialoberflächen mit integrierter Elektronik optimiert werden soll. Die flexiblen und dehnbaren Metasurface-Antennen, die sich dazu eignen, Oberflächenwellen zu emittieren, sollen die nähere Umgebung deutlich besser abtasten können als herkömmliche Antennen und dadurch die menschliche Sicherheit sowie die Performance der Roboter steigern.
Intelligente Antennenhaut
Metasurface-Antennen sind flächige, in folienförmige Substrate integrierte Antennen, die sich der Kontur des Roboters anpassen. Aufgrund ihrer flachen Struktur lassen sich die Antennen biegen und dehnen und wie eine Haut um den Roboter legen. Alternativ und in Abhängigkeit der Anwendung können sie etwa auch nur am Roboterarm angebracht werden. Sie werden daher auch als ’smart skins’ oder intelligente Haut bezeichnet. „Unsere künftige Antennenlösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl die nähere Umgebung abtasten sowie Bewegung detektieren kann und zugleich eine funkbasierte Kommunikation mit der Basisstation in der Industriehalle beherrscht“, sagt Andrej Konforta, Gruppenleiter 3D-Druck HF-Systeme am Fraunhofer FHR. „Eine derartige Lösung bietet der Markt bislang nicht.
Kleine Geometrien mit hohem Freiheitsgrad
Die Antenne soll das Beamforming – ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Schallquellen in Wellenfeldern – ermöglichen, sodass der verstellbare elektromagnetische Strahl jederzeit zur Basisstation blickt, was ein stärkeres, stabileres Signal garantiert und eine erhöhte Reichweite zur Folge hat. Bisher unterstützen sogenannte Phased Arrays das Beamforming. „Dabei werden viele Antennen in einer Gruppe verschaltet. Die Phase jedes einzelnen Antennenelements ist variabel, wodurch sich die Blickrichtung der Gruppenantenne beeinflussen lässt“, erläutert der Forscher die Technologie, die bislang überwiegend im militärischen Kontext zum Einsatz kommt. In konventionellen Gruppenantennen sind die Antennenelemente und deren Elektronik eng platziert. Das Resultat: Hohe Kosten, viel Abfuhrwärme und hohe Fehleranfälligkeit. Metasurface-Antennen hingegen könnten mit weitaus weniger Elektronik aufgebaut werden – ohne Verlust der Eigenschaften der konventionellen Aufbauweise. So lassen sich Kosten sparen und kleinere, kompaktere Strukturen realisieren. „Mit den Meta-Materialoberflächen verfolgen wir ein neues Konstruktionskonzept, das sehr kleine Geometrien ermöglicht, die einen hohen Freiheitsgrad beim Design der abgestrahlten Felder, aber auch die bestmögliche Extraktion der Gestensignale erlauben“, sagt Konforta.
Forscher entwickeln neue Antennensubstrate
Üblicherweise werden Antennen in starre Mikrowellensubstrate integriert. Alternativ existieren Materialien, welche sich auch dehnen lassen und damit eine hohe Flexibilität aufweisen. Allerdings haben diese flexiblen Substrate zu hohe Verluste, sie erzielen im Hochfrequenzbereich keine optimale Leistung, wie die von den Fraunhofer FHR-Forschenden entwickelte Messtechnik ergab. Daher eignen sich die herkömmlichen, am Markt verfügbaren Substrate nicht optimal für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Basierend auf den vom Fraunhofer FHR erzielten Ergebnissen sollen beim Projektpartner Technische Universität Hamburg (TUHH) im Rahmen des Projekts neue Substrate entwickelt werden – das dortige Institut für Angewandte Polymerphysik (IAPP) synthetisiert dehnbare und potenziell hochfrequenztaugliche Materialien, wobei die Beteiligten auf einen Mix an Polymeren sowie auf Polymere mit keramischen Fremdpartikeln setzen. Diese werden im Projektverlauf vom Fraunhofer FHR getestet. Auch wird derzeit, basierend auf den ersten Ergebnissen, ein vorhandener Messaufbau optimiert, für andere Frequenzbänder erweitert sowie die Software für den finalen Aufbau entwickelt. Parallel dazu untersuchen die Projektpartner, wie sich die Verformungen der dehnbaren Oberflächen auf die Eigenschaften im Nah- und Fernfeld auswirken. Langfristig geplant sind sich selbstkalibrierende Metasurface-Antennen, die ihre Krümmung und Formung eigenständig erkennen, um einen optimalen Signalempfang zu gewährleisten und Kommunikationsprobleme zu vermeiden.
Breites Anwendungsspektrum
Neben der Robotik im Produktionsumfeld bieten sich aus Sicht der Projektpartner auch die Medizintechnik und -robotik als Anwendungsfelder an: Hier könnten Metasurface-Antennen etwa als intelligente Haut dazu beitragen, dass Geräte wie etwa Assistenzroboter Gesten besser erkennen und stärker mit Menschen interagieren. Auch in die Schutzausrüstung der Feuerwehr oder in Raumfahrtanzüge sind Einsätze der Technologie denkbar.
An dem Projekt sind neben dem Fraunhofer FHR sechs weitere Partner aus Industrie und Forschung beteiligt: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, eV Technologies, Technische Universität Hamburg, Université Catholique de Louvain, University of Zagreb Faculty of Electrical Engineering and Computing und L-up. Die belgische Universität UCLouvain koordiniert das Vorhaben, das von der Europäischen Union gefördert wird.
